Использование импульсных водяных струй для разрушения горного массива – сравнительно новый и перспективный способ разрушения горных пород. Его преимущества перед традиционным способом разрушения ( механическим и гидравлическим) очевидны. Это высокие эксплуатационные качества, полное пылеподавление, низкие удельные энергозатраты на разрушение, важность отбитого материала удовлетворительная для шахт с традиционной технологией и целых ряд других. Однако широкое распространение данного способа сдерживается из-за отсутствия полномасштабных исследований процесса разрушения массива импульсными струями воды. Приведенные уже исследования в данном направлении /1/ носят чрезвычайно узкий, частный характер, что не позволяет в полном объеме изучить сам процесс. Тем не менее даже такие узкие, частные исследования, могут дать существенную информацию, если применить подход, изложенный ниже.

Процесс разрушения массива импульсными струями воды можно представить как совокупность трех элементарных процессов: воронкообразование, щелеобразование и процесс разрушения межщелевых целиком /1/. Под процессом воронкообразования понимается процесс образования воронки в массиве одним или несколькими импульсами. Щелеобразование – процесс образования зарубной щели в массиве. Процесс обрушения межщелевых целиков – процесс разрушения оставшихся целиков под действием совокупности факторов, главным образом под действием собственного веса целика и силы воздействия импульсов.

В /1/ отмечено, что показателями производительности разрушения импульсными струями для процесса воронкообразования является глубина воронки h, для процесса щелеобразования – скорость приращения боковой поверхности щели F₀, для процесса обрушения межщелевых целиков – производительность отбойки П_0. на эти показатели оказывают влияния 2 группы факторов /1/.

К первой группе относят величины, определяющие эффективность разрушения одним импульсом как отрезком стационарной струи. Это факторы, влияющие на разрушающее усилие и условия воздействия струи на массив: давление импульса воды , диаметр насадка d_н, первоначальное расстояние между насадком и забоем l₀, угол встречи струи с массивом ,время действия струи (продолжительность импульса), а также физико-механические свойства материала, характеризирующиеся коэффициентом крепости f. Ко второй группе относятся величины, характеризующие распределение импульсов струи во времени и пространстве: частота следования импульсов ,шаг отбойки t₀, число проходов струи или число ударов по воронке N, шаг обрушения межщелевых целиков а.

Анализ процесса воронкообразования указывает, что глубина воронки h зависит от следующих определяющих факторов:

h=f₁(,d_н ,l₀ ,,,f, ) (1)

Процесс щелеобразования при детальном изучении /1/ представляет собой процесс разрушения массива импульсами воды, формируемыми перемещающимся исполнительным органом гидроимпульсной машины. Учитывая величину скважности q (отношение продолжительности цикла Т) которая складывается из продолжительности импульса и продолжительности паузы) к продолжительности импульса ) и малую продолжительность импульса можно /1/ рассматривать процесс щелеобразования как процесс разрушения массива серией воронок при неподвижном ( в момент импульса) исполнительном органе. Т.е. для процесса щелеобразования можно применять закономерности процесса воронкообразования, принимая глубину воронки в 1.5 раза большую, чем непосредственно для процесса воронкообразования (это связано с оптимальным шагом отбойки) /1/.

Таким образом, рассмотрение процесса воронкообразования имеет особенно важное значение при изучении процесса гидроимпульсного разрушения массива.

Кроме глубины воронки h другим важным параметром процесса воронкообразования является диаметр воронки D. В общем случае D является функцией тех же факторов, что и глубина воронки h т.е.:

D = f₂ (, d_и, l₀, , , f, v ) (2)

Глубина воронки h в совокупности с диаметром воронки D характеризует основной параметр процесса разрушения массива импульсной струей – производительность отбойки П₀.

Исследованиями /1/ установлено, что при воздействии импульсной струи на забой наблюдаются явления, сходственные с разрушением горного массива резанием и ударом. На основании результатов этих исследований установлено, что на производительность П₀ гидроимпульсного разрушения массива, кроме поименнованых в уравнениях (1) и (2) факторов, существенное влияние оказывают: шаг отбойки t₀, шаг обрушения межщелевых целиков a, мощность пласта m_n.

Таким образом, процесс разрушения массива импульсными струями характеризуется функциональной зависимостью вида:

П₀=(, d_и, l₀, , , f,, t ₀, а,m_n ) (3)

Из перечня факторов можно исключить угол встречи струи с массивом a, т.к. многочисленными исследованиями доказано, что наиболее эффективно процесс разрушения будет протекать при = /2.

Коэффициент крепости f по М.М. Продьяконову, которым оценивают сопротивляемость массива гидравлическому разрушению, величина безразмерная. Поэтому целесообразно заменить его близким по смыслу условным пределом прочности

R_у=, предложенным Н.Ф.Цяпко /2/

С учетом сказанного функциональная зависимость (3) примет вид:

П₀=(, d_и, l₀, ,R_у,, t ₀, а, m_n ) (4)

Для получения зависимостей, которые имели бы широкую область применения, дали бы возможность осуществить оптимальное проектирование гидроимпульсных машин различного технологического назначения и выбирать наиболее эффективные режимы их работы, необходимо знать критерии подобия изучаемого процесса.

Определим эти критерии, воспользовавшись - теоремой и теорией размерностей /3/.

Таблица 1 – Фундаментальные физические перемены и формулы их размерностей.

В соответствии с – теоремой /3/ процесс разрушения массива импульсной струей можно характеризовать 7 критериями практического подобия:

₁, ₂, ₃, ₄, ₅, ₆, и ₇.

Согласно теории подобия /3/ запишем уравнение:

=П d l Rt а ⁿ m (5)

где a, b, c, d, e, f, i, k, n, q – некоторые показатели степеней.

Если уравнение (5) справедливо для физических размерных переменных, то оно справедливо и для их размерностей:

M⁰ L⁰ T⁰=(MT^-1)^a (ML^-1T^-2)^b(L)^c(L)^d(T)^e(ML^-1T^-2)^f (T^-1)ⁱ(L)^k(L)ⁿ(L)^q (6)

На основании свойства показательного уравнения (6) получим:

для М: а+в+f=0; (7)

L : -b+c+d-f+k+n+q=0; (8)

T: -a-2b+e-2f-i=0; (9)

Из уравнений (7) – (9) найдем значения показателей степеней:

f=-a-b ;

c=-a-d-k-n-q;

i=a+e;

и подставим их в уравнение (5):

=П dl Rtm (10)

В правой части уравнения (10) сгруппируем переменные с одинаковыми показателями степеней :

= ^е (11)

Из уравнения (11) находим выражения критериев практического подобия , которым характеризуется процесс разрушения горного массива импульсными струями воды:

= - относительная производительность процесса разрушения ;

= - относительное импульсное давление ;

=- относительное расстояние от массива до насадка;

= - относительная длительность импульса ;

= - относительный шаг отбойки ;

= - относительный шаг обрушения межщелевых целиков ;

= - относительная мощность угольного пласта.

Показатели степеней а=b=d=e=k=n=q=1.

Итак, функциональную зависимость (4) можно заменить зависимостью:

=₃ (12)

Полученные критерии практического подобия процесса разрушения массива импульсными струями дают возможность обобщить результаты экспериментальных исследований, проведенных в различных условиях и установить общие закономерности изучаемого процесса.

Кроме того из формул критериев исследователю видно, какие физические переменные необходимо измерять при выполнении экспериментальных исследований.

Список источников :

1. Бугрик В.А. Разработка гидроимпульсного исполнительного органа нишевыемочной машины : Автореф.дис..канд.техн.наук:05.05.06.-защита 29.12.88 – Донецк,1988.-20с.
2. Цяпко Н.Ф. Исследование подземной гидромониторной выемки угля ( научные основы).: Автореф.дис..д.т.н. – Новокузнецк, 1973.-20 с.
3. Г.М.Тимошенко, П.Ф.Зима Теория инженерного эксперимента. – К.:УМК ВО,1991.-124с.
4. Шавловский С.С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. М.: “Наука”,1979.-173с.